生物脱氮工艺的原理及研究发展

王 冰 ,杨 琳，孙 冰，刘云龙（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

随着工业经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，人民对于水资源的需求逐渐扩大，工农业发展产生的污废水也越来越多，水资源短缺和水污染的问题越来越严峻，水体中的大量氮、磷元素，严重破坏了水体生态平衡，对环境造成了非常大的影响，也影响了社会发展和人民的健康。如何脱氮成为了水处理领域中普遍面临的问题。

A/O 工艺、A2/O 工艺、氧化沟等传统脱氮工艺虽然发展时间长，运行稳定，但是存在占地面积大、运行费用高、易受到进水水质的影响等一系列问题。随着我国水资源环境的不断恶化和人民环保意识的不断提高，这些传统的脱氮工艺已经不能满足如今污水脱氮的处理要求。城市污水处理的热点转向了开发新型、节能、高效的污水脱氮工艺。近些年来，经过各位学者的不断研究和创新，污水处理工艺的发展不断进步，根据水污染现有实际情况，在基于传统脱氮工艺的原理上出现了一些具有能耗低、投资省、方便管理、处理效率高的生物脱氮工艺。

1 氮污染的来源和危害

1.1 氮污染的来源

氮元素的来源分为人为来源和自然来源[1]，其中前者占主要部分：一是土壤中大量农药化肥存在导致的氮元素超标，经过下渗和雨水的冲刷之后进入水体；二是生活污水和工业废水的肆意排放[2]，含氮废水没有经过严格的处理就排放到水体中，这也是目前水体氮污染的最主要原因。

1.2 氮污染的危害

水体中的过量氮元素会造成水中的一些浮游生物和藻类的繁殖过量，长此以往会导致水体的富营养化[1]，这种情况会造成大量水生生物死亡，人们食用了在这种环境中生长的鱼虾会摄入亚硝酸盐，亚硝酸盐在人体中的长期累积会产生致癌作用，水体富营养化成为了水处理领域的难题。水质污染恶化对人类和社会造成的危害也是在警告我们，只有尊重大自然，与大自然和谐共生才能实现长久发展。因此，不断研究开发新型的水处理工艺，改善水污染的现状，是至关重要的，也将是水处理领域的学者们一直研究的课题。

2 污水处理生物脱氮工艺

2.1 SHARON 工艺

SHARON工艺也称短程硝化反硝化工艺，最早提出这项脱氮工艺的是荷兰Delft 技术大学，该工艺的反应发生过程是通过→N2[3]进行的。利用硝化菌和亚硝化菌在一定温度下的生长速度不同，且二者的最小停留时间也不同的特征。通过控制温度和系统停留时间等条件，硝化菌逐步劣势被淘汰，使亚硝化菌获得生长优势，从而使有稳定积累，以有机物作为电子供体，在缺氧条件下直接进行反硝化，释放氮气，不经过阶段，缩短了反应流程[4]。

SHARON 工艺缩短了全程硝化反硝化的反应流程,具有总氮去除率高、降低耗氧量、降低能耗、节省碳源、减少污泥产生量[3]、缩小反应容器、减少工艺运行费用等优点，适宜处理垃圾渗滤液、高氨氮废水等。但是该工艺对反应时的条件要求严格，如温度等。也缺乏对硝化过程中的积累原理的理论依据[1]。因此，的积累研究，维持反应中的浓度水平是SHARON 工艺未来的主要研究方向。

2.2 ANAMMOX 工艺

ANAMMOX 工艺即厌氧氨氧化工艺，此工艺是1990 年由荷兰Delft 技术大学研究开发的[3]。该工艺原理是指在缺氧或厌氧的环境下，厌氧氨氧化菌使污水中的氨盐、硝酸盐反应释放N2的过程。反应原理方程式为：

ANAMMOX 工艺是现存已知最简单和最经济的污水脱氮工艺[5]，具有节省成本、总氮去除率高、不需外加碳源、能耗低、剩余污泥量少等优点[6]。该工艺适合应用于高氨废水处理以及城市污水深度处理。但是该种工艺厌氧氨氧化菌的适应能力差，生长繁殖速度缓慢[7]，且对温度和PH 等生存环境的要求都很严格。维持充足的生物量，提高厌氧氨氧化菌的适应能力和脱氮效率是未来 ANAMMOX 工艺的主要研究课题。

2.3 SHARON- ANAMMOX 工艺

SHARON- ANAMMOX 工艺即短程硝化-厌氧氨氧化工艺，是部分短程硝化反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺二者的结合体。该过程分为SHARON 段和ANAMMOX 段两部分，发生在两个不同反应器中，大部分的氨态氮在SHARON 段被氧化成亚硝酸氮[3]，SHARON段生成的亚硝酸氮和剩余部分的氨态氮与在ANAMMOX 段进行厌氧氨氧化反应释放氮气和少量硝酸氮。

SHARON- ANAMMOX 工艺具有明显的减少供氧量[8]，不需外加碳源，节省投料量、缩减污泥产量，节省运行费用等优点。但同时也存在与SHARON 工艺和ANAMMOX 工艺相似的缺点，即厌氧氨氧化菌的适应性差，微生物的生物量难以维持，运行过程对于环境要求苛刻。

2.4 OLAND 工艺

OLAND 工艺即限氧自养硝化反硝化工艺，最早是由比利时Ghent 大学在1998 年提出的[9]，该工艺结合了限氧亚硝化与厌氧氨氧化两部分来达到脱氮目的[3]，反应包括两个步骤：首先是在限氧环境下将污水中的一部分氧化为然后是在厌氧环境下，使原本剩余的和之前所产生的发生ANAMMOX 反应生成N2，成功完成污水的脱氮。

OLAND工艺目前在工程应用中尚不多见，该工艺具有提高脱氮效率[9]、降低反应耗氧量、运行能耗低、管理方便等优点。OLAND 工艺与ANAMMOX 工艺相似，存在生物量生长极其缓慢，较难维持稳定的亚硝化的缺点。未来随着对生物量的控制研究和生物脱氮工艺的发展，相信OLAND 工艺有希望能实现于工程应用中。

2.5 CANON 工艺

CANON 工艺即完全自养脱氮工艺，这种工艺是在同一个反应器中进行部分亚硝化和厌氧氨氧化两种反应的一种单相节能脱氮工艺，通过把废水中DO 控制在较低水平以实现亚硝化和氨氧化的同步发生，该反应中把氧气作为亚硝酸菌的电子受体，将氧化成厌氧氨氧化菌则以为电子受体在厌氧环境下发生反应释放N2，该工艺的反应方程式为：

CANON 工艺具有工艺流程短、污泥产量低、占地面积小、无需外加碳源[10]、降低曝气量等优点，具有广阔的应用前景。在实际工程应用方面也多用于处理高的工业废水、污泥消化液、低的养殖废水以及老龄垃圾渗滤液等方面[11]。但是，此工艺仍有缺点，运行过程中亚硝酸盐的富集受到诸多因素的影响，如温度、溶解氧和氨氮浓度等，CANON 工艺在工程应用中性能不稳定[12]，还要面临有机物质和低温的影响。保证氨氮的稳定转化，控制硝化菌的生长，解决处理高氨氮、低C/N 废水的碳源不足和能源消耗等问题，是未来该工艺的主要发展方向。

2.6 SND 工艺

SND 工艺即同步硝化反硝化工艺。这种工艺实现了在同一反应器中进行硝化和反硝化的一种全新的污水脱氨技术。当两种反应发生在同一反应器中时[1]，反硝化反应可以利用硝化反应产生的亚硝酸盐继续发生反应，提高硝化速度；硝化反应中所消耗的碱度可以被反硝化反应中产生的碱度中和，因此不需要另外加添加物质来调节pH 值[4]。

SND 工艺具有加快硝化反应速度、不需另调pH 值、运营简单、占地面积小、减少基建费用、降低能耗等优点[13]。实现SND 的关键在于如何培养和控制硝化反硝化菌，其受到溶解氧、有机碳源、温度、pH 值等的影响。

3 结语

综上看来，生物脱氮的研究前景相当广阔。传统活性污泥法虽然发展成熟且运行稳定，但是运行费用高、易受进水水质影响、占地面积大、耗能大。而生物脱氮技术不仅在氨氮去除率方面有良好的效果，还能相对降低运行成本，节省耗氧量和碳源。但是由于微生物工艺的复杂性和不确定性，还有某些工艺在实际运行中的不稳定性，使个别工艺还没有广泛运用于工程实践中，需进一步研究。因此，新型脱氮工艺的开发研究是将来生物脱氮技术的发展方向，寻找合适的具有高效性、专一性的菌种成为减短菌种筛选时间, 节省运行费用，提高脱氮效率的重要手段，相信未来污水脱氮技术能越来越完善。